KR20220140763A - Cmos 센서의 각도 필터의 구조 - Google Patents

Cmos 센서의 각도 필터의 구조 Download PDF

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KR20220140763A
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lens
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벤자민 바우티넌
피에르 뮬러
노에미 발롯
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이쏘그
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Abstract

본 명세서는 적층을 포함하는 장치(1)에 관한 것이며, 적층은, 적어도,
방사선(27)을 검출하기에 적합한 MOS 기술의 화상 센서(17)와,
제1 렌즈 어레이(19)와,
상기 방사선에 불투명한 벽에 의하여 범위가 정해진 개구들의 제1 매트릭스로 적어도 형성되는 구조물(21)과,
제2 렌즈 어레이(23)를
이 순서로 포함한다.

Description

CMOS 센서의 각도 필터의 구조
본 특허출원은, 여기에 참조로 포함되는, 프랑스 특허출원 FR 2001613의 우선권을 주장한다.
본 개시는 일반적으로 화상 획득 장치에 관한 것이다.
화상 획득 장치는 일반적으로 화상 센서와 광학 시스템을 구비한다. 광학 시스템은, 센서의 감지부와 화상화될 대상체 사이에 개재된, 렌즈 세트, 또는 각도 필터일 수 있다.
일반적으로 화상 센서는 수광 강도에 비례하는 신호를 발생시킬 수 있는 광검출기의 어레이를 구비한다.
각도 필터는 입사하는 방사선을 이 방사선의 입사에 따라서 필터링하여서 최대 입사 각도이라고 하는 소정 각도보다 큰 입사를 갖는 광선을 차단할 수 있는 장치로서, 화상 센서의 감지부 상에 화상화될 대상체의 선명한 화상을 형성할 수 있게 한다.
화상 획득 장치를 개선하기 위한 요구가 있다.
일 실시형태는 공지된 화상 획득 장치의 단점의 전부 또는 일부를 극복한다.
일 실시형태는 적층(stack)을 구비하는 장치를 제공하며, 이 적층은, 적어도,
방사선을 검출하기 위한 MOS 기술의 화상 센서와,
렌즈들의 제1 어레이와,
상기 방사선에 불투명한 벽들에 의하여 범위가 정해진 개구들의 적어도 제1 매트릭스로 형성된 구조물과,
렌즈들의 제2 어레이를,
이 순서로, 구비한다.
일 실시형태에 따르면, 제2 어레이의 렌즈들의 수는 제1 어레이의 렌즈들의 수보다 크다.
일 실시형태에 따르면, 제2 어레이의 렌즈들의 수는 제1 어레이의 렌즈들의 수보다 2배 내지 10배 더 크며, 바람직하게는 두 배 더 크다.
일 실시형태에 따르면, 장치는 상기 구조물과 렌즈들의 제1 어레이 사이에 접착층을 구비한다.
일 실시형태에 따르면, 장치는 상기 구조물과 렌즈들의 제1 어레이 사이에 굴절률 매칭층을 구비한다.
일 실시형태에 따르면,
제1 매트릭스의 각 개구는 제2 어레이의 단일 렌즈와 관련되어 있으며,
제2 어레이의 각 렌즈의 광축은 제1 매트릭스의 개구의 중앙에 정렬된다.
일 실시형태에 따르면, 구조물은, 개구의 제1 매트릭스 아래에, 상기 방사선에 불투명한 벽들에 의하여 범위가 정해진, 개구들의 제2 매트릭스를 구비한다. 제1 매트릭스의 개구들의 수는 제2 매트릭스의 개구들의 수와 동일한다. 제1 매트릭스의 각 개구의 중앙은 제2 매트릭스의 개구의 중앙에 정렬된다.
일 실시형태에 따르면, 제2 어레이의 렌즈들과 제1 어레이의 렌즈들은 평-볼록이다. 제1 어레이 및 제2 어레이의 렌즈들의 평평한 표면은 센서측에 있다.
일 실시형태에 따르면, 개구들은 상기 방사선에 적어도 부분적으로 투명한 물질로 채워진다.
일 실시형태에 따르면, 제1 어레이의 렌즈들은 제2 어레이의 렌즈들의 직경보다 큰 직경을 갖는다.
일 실시형태에 따르면, 이 구조물은 평-볼록 렌즈들의 제3 어레이를 구비하며, 제3 렌즈 어레이 및 제2 렌즈 어레이의 렌즈들의 평평한 표면들은 서로 마주하고 있다. 제3 렌즈 어레이는 개구들의 제1 매트릭스와 제1 렌즈 어레이 사이에 또는 개구의 제1 매트릭스와 제2 렌즈 어레이 사이에 위치된다.
일 실시형태에 따르면, 제2 어레이의 각 렌즈의 광축은 제3 어레이의 렌즈의 광축에 정렬된다.
일 실시형태에 따르면, 제2 어레이의 렌즈들의 화상 초점면들은 제3 어레이의 렌즈들의 대상체 초점면들과 일치한다.
일 실시형태에 따르면, 제3 어레이의 렌즈들의 수는 제2 어레이의 렌즈들의 수보다 크다.
일 실시형태에 따르면, 제2 어레이의 렌즈들은 제3 어레이의 렌즈들의 직경보다 큰 직경을 갖는다.
전술의 특징 및 장점, 뿐만 아니라 다른 특징 및 장점이, 첨부된 도면들을 참조하여, 그것으로 한정되지 않는 일예로서 제공된 특정 실시형태들의 다음의 설명에서 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 화상 획득 시스템의 일 예를 단순화된 부분 블록 다이어그램으로 보여준다.
도 2는 화상 획득 장치의 일 예를 단순화된 부분 단면도로 보여준다.
도 3은 도 2에 도시된 화상 획득 장치의 일 실시형태를 단순화된 부분 단면도로 보여준다.
도 4는 도 2에 도시된 화상 획득 장치의 다른 실시형태를 단순화된 부분 단면도로 보여준다.
도 5는 도 2에 도시된 화상 획득 장치의 또 다른 실시형태를 단순화된 부분 단면도로 보여준다.
도 6은 도 2에 도시된 화상 획득 장치의 또 다른 실시형태를 단순화된 부분 단면도로 보여준다.
도 7은 도 2에 도시된 화상 획득 장치의 또 다른 실시형태를 단순화된 부분 단면도로 보여준다.
도 8은 도 2에 도시된 화상 획득 장치의 또 다른 실시형태를 단순화된 부분 단면도로 보여준다.
동일한 특징은 각 도면에서 동일한 도면부호로 지정된다. 특히, 여러 실시형태들에서 공통인 구조적 및/또는 기능적 특징들은 동일한 참조부호를 가질 수 있으며, 동일한 구조, 치수 및 물질 특성들을 부여할 수 있다.
명확하게 하기 위하여, 여기에서 설명된 실시형태들의 이해에 유용한 단계 및 구성요소들만이 도시되고 상세하게 설명된다. 특히, 화상 센서의 구조는 본 명세서에서는 상세하게 설명되지 않을 것이다.
다른 지시가 없다면, 서로 접속된 두 구성요소라고 언급된다면, 이것은 도전체 이외의 임의의 중간 구성요소없이 직접 접속됨을 의미하며, 두 구성요소가 서로 결합되어 있다고 언급된다면, 이것은 이들 두 구성요소가 접속될 수도 있고, 또는 하나 이상의 다른 구성요소를 통하여 결합될 수도 있음을 의미한다.
다음의 설명에서, 다른 특별한 언급이 없다면, 용어 "앞", "뒤", "상부면", "바닥면", "왼쪽", "오른쪽" 등의 절대 위치 한정어, 또는 용어 "위", "아래", "상측", "하측" 등의 상대 위치 한정어, 또는 "수평", "수직" 등과 같은, 방향의 한정어가 언급된다면, 도면에 도시된 방향이 언급된다.
다른 특별한 언급이 없다면, 표현 "약", "대략", "실질적으로" 및 "정도의"는 10% 내, 바람직하게는 5% 내를 의미한다.
다음의 설명에서, 특별한 언급이 없다면, 층 또는 막을 통과하는 방사선의 투과율이 10%보다 작은 경우에, 층 또는 막은 방사선에 불투명하다고 한다. 명세서의 나머지에서, 층 또는 막을 통과하는 방사선의 투과율이 10%보다 큰 경우, 바람직하게는 50%보다 큰 경우, 층 또는 막은 방사선에 투명하다고 한다. 일 실시형태에 따르면, 동일한 광학 시스템에 대하여, 방사선에 불투명한 광학 시스템의 모든 구성요소들은, 상기 방사선에 투명한 광학 시스템의 구성요소들의 가장 낮은 투과율의 1/2보다 작고, 바람직하게는 1/5보다 작고, 더 바람직하게는 1/10보다 작다. 명세서의 나머지에서, 표현 "유용한 방사선"은 작동시의 광학 시스템을 가로지르는 전자기 방사선을 의미한다.
다음의 설명에서, 표현 "마이크로미터-범위 광학 구성요소"는, 1㎛보다 크고 1㎜보다 작은(상기 표면에 평행하게 측정됨) 최대 치수를 갖는 지지체의 표면에 형성된 광학 구성요소를 의미한다.
광학 시스템의 실시형태들은, 각 마이크로미터-범위 광학 구성요소가, 2 디옵터로 형성된, 마이크로미터-범위 렌즈, 또는 마이크로렌즈에 해당하는 경우에, 마이크로미터-범위 광학 구성요소들의 어레이를 구비하는 광학 시스템에 대하여는 설명되지 않을 것이다. 그러나, 이들 실시형태들은 다른 형태의 마이크로미터-범위 광학 구성요소들로도 또한 구현될 수 있으며, 여기서 각 마이크로미터-범위 광학 구성요소는 예를 들어 마이크로미터-범위의 프레넬 렌즈, 마이크로미터-범위 인덱스 그래디언트 렌즈, 또는 마이크로미터-범위 회절 격자에 대응할 수 있음을 명확하게 한다.
다음의 설명에서, "가시 광"은 400nm 내지 700nm의 범위의 파장을 갖는 전자기 방사선을 나타내며, "적외 방사선"은 700nm 내지 1mm의 범위의 파장을 갖는 전자기 방사선을 나타낸다. 적외 방사선에서, 700nm 내지 1.7㎛의 범위의 파장을 갖는 근적외 방사선을 특별히 구별할 수 있다.
다음의 설명에서, 물질의 굴절률은 화상 센서에 의하여 캡처된 방사선의 파장 범위에 대한 물질의 굴절률에 대응한다. 특별한 언급이 없다면, 굴절률은 유용한 방사선의 파장 범위에 대하여 실질적으로 일정한 것으로 간주되며, 예를 들어 화상 센서에 의하여 캡처된 방사선의 파장 범위에 대한 굴절률의 평균과 동일하다.
도 1은 화상 획득 시스템의 일 예를 단순화된 부분 블록 다이어그램으로 나타낸다.
도 1에 도시된, 화상 획득 시스템은,
a. 화상 획득 장치(1)(DEVICE)와,
b. 처리부(13)(PU)
를 구비한다.
처리부(13)는, 바람직하게는, 도 1에 도시되지 않은, 장치(1)에 의하여 전달된 신호를 처리하기 위한 수단을 구비한다. 처리부(13)는 예를 들어 마이크로프로세서를 구비한다.
장치(1)와 처리부(13)는 바람직하게는 링크(15)에 의하여 결합되어 있다. 장치(1)와 처리부는 예를 들어 동일한 회로에 통합되어 있다.
도 2는 화상 획득 장치(1)의 일 예를 단순화된 부분 단면도로 보여준다.
상세하게는, 도 2는 화상 획득 장치(1)와 방사선(27)을 방출하는 소스(25)를 보여준다.
도 2에 도시된, 화상 획득 장치(1)는, 바닥부에서 상부면으로,
상보성 금속산화막 반도체(CMOS) 기술의 화상 센서(17)(SENSOR)로서, 방사선(27)을 검출하기에 적합한 무기(폴리실리콘) 또는 유기 광다이오드 또는 광검출기에 결합될 수 있는 화상 센서(17)와,
렌즈들의 제1 어레이(19)(LENS1)와,
어레이 구조물(21)(LAYER(S))과,
렌즈들의 제2 어레이(23)(LENS2)와,
대상체(24)
를 구비한다.
구조물(21) 및 제2 렌즈 어레이(23)는 바람직하게는 광학 필터(2) 또는 각도 필터를 형성한다. 화상 센서(17) 및 제1 렌즈 어레이(19)는 바람직하게는 CMOS 화상기(imager)(3)를 형성한다.
방사선(27)은 예를 들어 가시 범위 및/또는 적외 범위에 있다. 이것은 단일 파장의 방사선 또는 복수의 파장(또는 파장 범위)의 방사선일 수 있다.
도 2에서, 광원(25)은, 대상체(24) 위에 도시되어 있다. 그러나 변형으로서 대상체(24) 및 필터(2) 사이에 위치될 수도 있다.
지문의 판정에 적용하는 경우에, 대상체(24)는 사용자의 지문에 해당한다.
도 3은 도 2에 도시된 화상 획득 장치의 일 실시형태를 단순화된 부분 단면도로 보여준다.
더 상세하게는, 도 3은, 어레이 구조물(21)이, 상기 방사선에 불투명한 벽(39)의 범위를 한정하는 개구(41)의 제1 매트릭스를 구비하는 층(211)으로 형성되어 있는 화상 획득 장치(101)를 보여준다.
도 3에 도시된, 화상 획득 장치(101)는, 바닥면에서 상부면으로,
- CMOS 화상기(3)로서,
바람직하게는, 기판, 판독 회로, 도전성 트랙, 및 광다이오드로 형성된 화상 센서(17)(도면에서는 상세하게 설명되지 않음)와,
화상 센서(17)의 상부면에 접촉하고 있는 제1 패시베이션(절연성)층(29)과,
제1 층(29) 전체 평판을 덮는 컬러필터의 역할을 하는 제2 층(31)과,
센서(17)측에 평평한 표면을 가지며, 제3 패시베이션층(33)으로 덮여 있는 제1 평-볼록 렌즈 어레이(19)로 형성된 CMOS 화상기(3)와,
- 층(33)을 덮고 있는 제4 광학적 인덱스 매칭층(35)과,
- 층(35)의 상부면에 접촉하고 있는 제5 층(37) 또는 접착제와,
- 각도 필터(2)로서,
개구(41)의 층(211)을 구비하고 제5층(37)의 상부면에 접촉하고 있는 벽(39)을 갖는 구조물(21)과,
구조물(21)을 덮는 기판(43)과,
센서측에 평평한 표면을 가지며, 제6층(45)으로 덮힌 제2 평-볼록 렌즈 어레이(23)
를 구비하는 각도 필터(2)
를 구비한다.
제1 렌즈 어레이(19)는, 렌즈(19)로 입사된 광선을, 예를 들어 화상 센서(17)에 존재하는 광검출기 상으로 촛점 맞추게 할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 화상기(3) 내의 렌즈 어레이(19)는 픽셀 어레이를 형성하는데, 픽셀은, 예를 들어 렌즈(19)의 표면에 대응하는 원이 내접되는 정사각형에 실질적으로 대응한다. 각 픽셀은 따라서 실질적으로 픽셀의 중심에 있는 렌즈(19)를 구비한다. 예를 들어, 모든 렌즈(19)는 실질적으로 동일한 직경을 갖는다. 렌즈(19)의 직경은 픽셀의 측면의 길이와 실질적으로 동일하다.
일 실시형태에 따르면, CMOS 화상기(3)의 픽셀들은 실질적으로 정사각형이다. 픽셀 측면의 길이는 바람직하게는 0.7㎛ 내지 50㎛의 범위에 있으며, 더 바람직하게는 30㎛정도이다.
일 실시형태에 따르면, 화상기(3)는 실질적으로 정사각형이다. 화상기(3)의 측면의 길이는 바람직하게는 5mm 내지 50mm의 범위에 있으며, 더 바람직하게는 10mm 정도이다.
층(31)은, 바람직하게는, 400nm 내지 600nm(청록색)의 범위, 바람직하게는 470nm 내지 600nm(녹색)의 범위의 파장을 흡수하는 물질로 이루어져 있다.
층(29)은, 무기 물질, 예를 들어, 실리콘산화물(SiO2), 실리콘질화물(SiN), 또는 이들 2 물질들의 조합(예를 들어 다층의 적층)으로 이루어질 수 있다.
절연층(29)은, 플루오르화 중합체, 특히 상표명 "사이톱(Cytop)"으로 공지된 벨레스(Bellex)의 플루오르화 중합체, 폴리비닐피롤리돈(PVP), 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 폴리스티렌(PS), 파릴렌, 폴리이미드(PI), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS), 폴리(에틸렌 테레프탈레이트)(PET), 폴리(에틸렌 나프탈레이트)(PEN)사이클로 올레핀 폴리머(COP), 폴리디메틸실록산(PDMS), 포토리소그래피 수지, 에폭시 수지, 아크릴레이트 수지, 또는 이들 화합물 중 2개 이상의 혼합물로 이루어질 수 있다.
변형으로서, 층(29)은 무기 유전체, 특히 실리콘질화물, 실리콘산화물, 또는 알루미늄산화물(Al2O3)로 이루어질 수 있다.
층(33)은, 바람직하게는, 마이크로렌즈(19)의 형태를 가지며 화상기(3)의 표면을 절연하고 평탄화할 수 있는 패시베이션층이다. 층(33)은 무기 물질, 예를 들어 실리콘산화물(SiO2) 또는 실리콘질화물(SiN), 또는 이들 2개 물질의 조합(예를 들어 다층의 적층)으로 이루어질 수 있다.
도 3에 도시된 실시형태에 따르면, 렌즈의 제2 어레이(23)와 층(211)의 결합에 의하여, 광학 필터(2)는, 제2 어레이의 렌즈(23)의 광축에 대한 입사 각도에 따라서 입사 방사선을 필터링하기에 적합하다.
도 3에 도시된 실시형태에 따르면, 각도 필터(2)는, 화상 센서(17)의 광검출기가, 렌즈(23)의 광축에 대하여, 45°보다 작은, 바람직하게는 20°보다 작은, 더 바람직하게는 5°보다 작은, 더 바람직하게는 3°보다 작은 최대 입사각보다 작은 각각의 입사들을 갖는 광선만을 수용하도록 조절된다. 각도 필터(2)는, 필터(2)의 렌즈들(23)의 광축에 대한 각 입사가 최대 입사각보다 큰 입사 방사선의 광선을 차단할 수 있다.
도 3에 도시된 실시형태에 따르면, 층(211)의 각 개구(41)는 제2 어레이의 단일 렌즈(23)와 관련되어 있으며 각 렌즈(23)는 단일 개구(41)와 관련되어 있다. 렌즈들(23)은 바람직하게는 닿아 있다. 렌즈들(23)의 광축은 바람직하게는 개구(41)의 중앙에 정렬된다. 제2 어레이의 렌즈들(23)의 직경은 바람직하게는 개구(41)의 최대 단면(렌즈(23)의 광축에 수직하게 측정됨)보다 크다.
벽(39)은 예를 들어 방사선(27)에 불투명, 예를 들어, 방사선(27)을 흡수하거나 및/또는 반사한다. 벽(39)은 바람직하게는, 화상화(생체측정 및 지문 화상화)를 위하여 사용되는, 400nm 내지 600nm(청록색 및 녹색)의 범위의 파장에 대하여 불투명하다. 벽(39)의 높이(렌즈(23)의 광축에 대하여 평행한 평면에서 측정됨)를 "h"라고 한다.
일 실시형태에 따르면, 개구(41)는 열과 행으로 배열되어 있다. 개구(41)는 실질적으로 동일한 치수를 가질 수 있다. 개구(41)의 직경(개구들의 베이스, 즉 기판(43)과의 경계면에서 측정됨)을 "w1"이라 한다. 각 렌즈(23)의 직경은 바람직하게는 렌즈(23)와 관련되어 있는 개구(41)의 직경(w1)보다 크다.
일 실시형태에 따르면, 개구(41)는 행과 열로 규칙적으로 배열되어 있다. 개구(41)의 반복 피치, 즉, 상면도에서 행 또는 열의 두 개의 연속 개구(41)의 중앙 사이의 거리를 "p"라고 한다.
도 3에서, 개구(41)는 사다리꼴 단면으로 도시되어 있다. 일반적으로, 개구(41)는 정사각형, 삼각형, 사각형, 깔때기-형상일 수 있다. 도시된 예에서, 층(211)의 상측 표면의 레벨에서의, 개구(41)의 폭(또는 직경)은 층(211)의 하측 표면의 레벨에서의, 개구(41)의 폭(또는 직경)보다 크다.
상면도에서, 개구(41)는 원형, 타원형, 또는 다각형, 예를 들어, 삼각형, 정사각형, 사각형, 또는 사다리꼴일 수 있다. 개구(41)는, 상면도에서, 바람직하게는 원형이다.
단면(평면 XZ 또는 YZ)에서, 광학 필터(2)의 분해능은 바람직하게는 화상 센서(17)의 분해능보다 더 크며, 바람직하게는 2 내지 10배 더 크다. 다시 말하면, 단면(평면 XZ 또는 YZ)에서, 제1 어레이의 렌즈(19)보다 2배 또는 10배 더 많은 개구(41)가 있다. 따라서 렌즈(19)는 적어도 4개의 개구(41)(평면 YZ에서 2개의 개구 및 평면 XZ에서 2개의 개구)와 관련되어 있다.
장점은, 화상기의 분해능과 각도 필터(2)의 분해능 사이의 차는 화상기(3) 상의 필터(2)의 정렬의 제약을 감소시키게 할 수 있다는 것이다.
예를 들어, 렌즈(23)는 실질적으로 동일한 직경을 갖는다. 제1 어레이의 렌즈(19)의 직경은 따라서 제2 어레이의 렌즈(23)의 직경보다 크다.
폭(w1)은, 실제로 그리고 바람직하게는, 렌즈(23)의 직경보다 작아서 층(39)이 기판(43)에 충분히 접착하게 한다. 폭(w1)은 바람직하게는 0.5㎛ 내지 25㎛의 범위에 있으며, 예를 들어 대략 10㎛이다. 피치 p는 1㎛ 내지 25㎛의 범위에 있으며, 바람직하게는 12㎛ 내지 20㎛의 범위에 있다. 높이 h는, 예를 들어, 1㎛ 내지 1㎜의 범위에 있으며, 바람직하게는 12㎛ 내지 15㎛의 범위에 있다.
이 실시형태에 따르면, 마이크로렌즈(23)와 기판(43)은, 바람직하게는, 노광시에 사용된 파장에 대응하는 파장 범위에 대하여, 투명한 또는 부분적으로 투명한, 즉 대상 분야, 예를 들어 화상화(imaging)를 위하여 고려된 스펙트럼의 일부분에 투명한 물질로 이루어져 있다.
기판(43)은, 고려된 파장, 여기서는 가시 범위 및 적외 범위에서는 적어도 흡수하지 않는 투명 중합체로 이루어질 수 있다. 중합체는 특히 폴리에틸렌 테레프탈레이트 PET, 폴리(메틸 메타크릴레이트) PMMA, 사이클릭 올레핀 폴리머(COP), 폴리이미드(PI), 또는 폴리카보네이트(PC)로 이루어질 수 있다. 기판(43)은 바람직하게는 PET로 이루어진다. 기판(43)의 두께는 예를 들어 1 내지 100㎛에서 변화할 수 있고, 바람직하게는 10 내지 50㎛에서 변화할 수 있다. 기판(43)은 컬러 필터, 편광기, 반파장판 또는 1/4 파장판에 해당할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 마이크로렌즈(23 및 19)는 1.4 내지 1.7의 범위에서 굴절률을 갖는 물질 및 바람직하게는 1.6 정도의 굴절률을 갖는 물질로 이루어진다. 마이크로렌즈(23 및 19)는 실리카, PMMA, 포지티브 레지스트, PET, 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), COP, 폴리디메틸실록산(PDMS)/실리콘, 에폭시 수지, 또는 아크릴레이트 수지로 이루어질 수 있다. 마이크로렌즈(23 및 19)는 레지스트 블록의 유동에 의하여 형성될 수 있다. 마이크로렌즈(19 및 23)는 또한 PET, PEN, COP, PDMS/실리콘, 에폭시 수지, 또는 아크릴레이트 수지의 층 상에 몰딩함으로써 형성될 수 있다. 마지막으로 마이크로렌즈(19 및 23)는 나노-임프린트에 의하여 형성될 수 있다.
변형으로서, 각 마이크로렌즈는 다른 형태의 마이크로미터-범위 광학 구성요소, 특히 마이크로미터-범위 프레넬 렌즈, 마이크로미터-범위 인덱스 그래디언트 렌즈, 또는 마이크로미터-범위 굴절 격자로 대체된다. 마이크로렌즈는 수렴 렌즈들이며, 각각은 1㎛ 내지 100㎛의 범위, 바람직하게는 1㎛ 내지 50㎛의 범위의 초점 거리(f)를 갖는다. 일 실시형태에 따르면, 모든 마이크로렌즈들(19)은 실질적으로 동일하고 모든 마이크로렌즈들(23)은 실질적으로 동일하다.
일 실시형태에 따르면, 층(45)은 마이크로렌즈(23)의 형태를 따르는 충전층이다. 층(45)은 광학용 투명 접착제(OCA), 특히 액체 광학용 투명 접착제(LOCA), 또는 낮은 굴절률을 갖는 물질, 또는 에폭시/아크릴레이트 접착제, 또는 가스 또는 가스 혼합물의 막, 예를 들어 공기로부터 얻어질 수 있다.
바람직하게는, 층(45)은 마이크로렌즈(23)의 물질보다 작은, 저 굴절률을 갖는 물질로 이루어진다. 예를 들어, 렌즈(23)의 물질의 굴절률 및 층(45)의 물질의 굴절률 사이의 차는 바람직하게는 0.5 내지 0.1의 범위에 있다. 더 바람직하게는, 렌즈(23)의 물질의 굴절률과 층(45)의 물질의 굴절률 사이의 차는 0.15정도이다. 층(45)은 비-접착성 투명 물질인 충전 물질로 이루어져 있을 수 있다.
다른 실시형태에 따르면, 층(45)은 마이크로렌즈 어레이(23)에 대하여 도포되는 막에 대응하는데, 예를 들어 OCA 막이다. 이 경우에, 층(45)과 마이크로렌즈(23) 사이의 접촉 영역이 감소될 수 있는데, 예를 들어 마이크로렌즈(23)의 상부면에 한정될 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 개구(41)는 공기, 또는 광검출기에 의하여 검출된 방사선에 적어도 부분적으로 투명한 충전 물질, 예를 들어 PDMS, 에폭시 또는 아크릴레이트 수지, 또는 상표명 SU8로 알려진 수지로 채워진다. 변형으로서, 개구(41)는, 부분적으로 흡수하는 물질, 즉 대상 분야, 예를 들어 화상화를 위하여 고려된 스펙트럼의 일부분을 흡수하는 물질로 채워져서, 필터에 의하여 각도로 필터링된 광선을 색채적으로 필터링한다. 변형으로서, 개구(41)의 충전 물질은 근적외선의 광선에 불투명하다. 개구(41)가 물질로 채워지는 경우, 상기 물질은 예를 들어 벽들(39)과 하부층(37) 사이에 층을 형성하여 벽들(39)이 층(37)과 접촉하지 않게 할 수 있다.
각도 필터(2)는 바람직하게는 50㎛ 정도의 두께를 갖는다.
각도 필터(2)와 화상기(3)는 예를 들어 접착층(37)에 의하여 조립된다. 층(37)은 예를 들어 아크릴레이트 접착제, 에폭시 접착제, 또는 OCA로부터 선택된 물질로 이루어진다. 층(37)은 바람직하게는 아크릴레이트 접착제로 이루어진다.
층(35)은 굴절률 매칭층으로서, 즉 이것은 각도 필터(개구(41)의 충전 물질)와 패시베이션층(33) 사이의 경계면에서의 반사에 의한 광선의 손실을 감소시킬 수 있게 한다. 층(35)은 바람직하게는 층(33)의 굴절률과 개구(41)의 충전 물질의 굴절률 사이의 굴절률을 갖는 물질로 이루어져 있다.
일 구현 방식에 따르면, 층(35)은, 화상기(3)의 제조 끝에서, 화상기(3)의 앞 표면(도 3의 방향에서 상층 표면)에, 인쇄, 막의 이전(라미네이션), 또는 증기화에 의하여 증착된다.
일 구현 방식에 따르면, 층(37)은, 각도 필터(2)의 뒷 표면(도 3의 방향에서 하측 표면)에, 인쇄 또는 막의 이전(라미네이션)에 의하여 증착된다.
변형으로서, 층(37)은 화상기(3)의 층(35)의 앞 표면 상에 증착된다.
필터(2)와 화상기(3)의 조립은, 예를 들어, 층(37)의 증착 후에, 화상기(3)의 표면(더 상세하게는 층(35)의 표면)에 필터(2)를 라미네이션함으로써 실행된다.
일 구현 방식에 따르면, 그 조립 이후에 어닐링, 자외선 가교, 또는 오토클레이브 가압의 단계가, 기계적 접합 특성을 최적화하기 위하여 행해진다.
일 실시형태에 따르면, 도 3에 도시되지 않았으나, 장치(101)는, 예를 들어 필터(2)와 화상기(3) 사이에 부가층을 구비한다. 이 층은, 600nm보다 큰 파장을 갖는 방사선을 필터링할 수 있게 하는 적외선 필터에 해당한다. 이 적외선 필터의 투과율은 바람직하게는 0.1%(OD3(3의 광밀도(Optical Density)))보다 작다.
고려된 물질에 따르면, 적어도 어떤 층들을 형성하는 방법은, 예를 들어 소정 위치에 층들을 형성하는 물질을, 특히 졸-겔 형태로, 직접 인쇄, 예를 들어 잉크젯 인쇄, 포토그라비어, 실크-스크리닝, 플렉소그래피, 스프레이 코팅, 또는 드롭 캐스팅하는 것에 의한, 소위 애디티브(additive) 처리에 해당할 수 있다.
고려된 물질에 따르면, 적어도 어떤 층들을 형성하는 방법은, 소위-서브트랙티브법에 해당할 수 있는데, 여기서, 층들을 형성하는 물질은 전체 구조물 상에 증착되고 그런 후 미사용 부분은, 예를 들어 포토리소그래피 또는 레이저 애블레이션에 의하여 제거된다.
고려된 물질에 따르면, 전체 구조물 상의 증착은, 예를 들어, 액체 증착, 캐소드 스퍼터링, 또는 증기화에 의하여 실행될 수 있다. 스핀 코팅, 스프레이 코팅, 헬리오그래피, 슬롯-다이 코팅, 블레이드 코팅, 플렉소그래피 또는 실크-스크리닝 등의 방법이 특히 사용될 수 있다. 층이 금속성인 경우, 그 금속은 예를 들어 전체 지지체 상에서의 캐소드 스퍼터링 또는 증기화에 의하여 증착되며 금속층들은 에칭에 의하여 범위가 정해진다.
유익하게는, 층들의 적어도 일부는 인쇄 기술에 의하여 형성될 수 있다. 전술된 층들의 물질은 액체 형태, 예를 들어 도전성의 반도체 잉크의 형태로 잉크젯 프린터를 사용하여 증착될 수 있다. 여기서 "액체 형태의 물질"은 인쇄 기술에 의하여 증착될 수 있는 겔 물질을 의미한다. 어닐 단계들은 각 층들의 증착들 사이에 제공될 수 있으나, 어닐 온도는 150℃를 초과하지 않을 수 있고, 증착 및 가능한 어닐은 대기압에서 수행될 수 있다.
도 4는 도 2에 도시된 화상 획득 장치의 다른 실시형태를 단순화된 부분 단면도를 보여준다.
더 상세하게는, 도 4는, 도 3에 도시된 화상 획득 장치(101)와 유사한 화상 획득 장치(102)를 보여주지만, 제2 렌즈의 어레이가 렌즈(23)(도 3)보다 작은 렌즈(23')를 구비한다는 차이점을 갖는다.
장치(102)에서 렌즈(23')의 수는 바람직하게는 개구(41)의 수(평면 XY에서)보다 크다. 일 예로서, 렌즈(23')의 수는 개구(41)의 수보다 4배 더 크다. 렌즈(23')는, 도 4에 도시된 실시형태에 따르면, 개구(41)의 직경(w1)보다 작은 직경을 갖는다.
도 4에 도시된 실시형태의 장점은, 개구(41)의 매트릭스에 렌즈(23')의 제2 어레이를 정렬할 필요가 없다는 것이다.
도 5는, 도 2에 도시된 화상 획득 장치의 예의 다른 실시형태를 단순화된 부분 단면도로 보여준다.
더 상세하게는, 도 5는, 도 3에 도시된 화상 획득 장치(101)와 유사한 화상 획득 장치(103)를 보여주지만, 어레이 구조물(21)이 제3 렌즈 어레이(47)를 구비한다는 차이점을 갖는다.
평-볼록 렌즈(47)의 제3 어레이는 제2 렌즈 어레이(23)에 결합된 개구(41)의 매트릭스에 의하여 투과된 광의 콜리메이션을 위하여 사용된다. 렌즈(47)의 평평한 표면은 렌즈(23)의 평평한 표면과 마주한다. 제3 어레이는 층(211)과 화상기(3) 사이에 위치된다.
도 5에 도시된 실시형태에서, 제3 어레이의 렌즈(47)의 수는 제2 어레이의 렌즈(23)의 수와 같다. 제3 어레이의 렌즈(47)와 제2 어레이의 렌즈(23)는 그들 광축에 의하여 정렬된다.
변형으로서, 제3 어레이의 렌즈(47)의 수는 제2 어레이의 렌즈(23)의 수보다 더 중요하다.
렌즈(47)는 닿아 있거나 그렇지 않다.
광선은, 렌즈(23)로 입사한 광선의 각 방향에 대하여 각도 α로 렌즈(23)와 층(211)으로부터 방출된다. 각도 α는 렌즈(23)에 따라 특정되며 이 동일 렌즈(23)의 초점 거리와 그의 직경에 의존한다.
광선이 층(211)으로부터 나올 때, 그 광선들은 제3 어레이의 렌즈(47)와 만난다. 광선들은, 렌즈(47) 밖으로 나올 때, 렌즈(47)에 입사되는 광선의 각 방향에 대하여 각도 β만큼 편향된다. 각도 β는 렌즈(47)에 따라 특정되며, 이 렌즈(47)의 초점 거리와 그의 직경에 의존한다.
총 확산각(divergence angle)은 렌즈(23)와 렌즈(47)에 의하여 연속적으로 생성된 편향에 대응한다. 제3 어레이의 렌즈(47)는, 총 확산각이 예를 들어 대략 5°이하가 되도록 선택된다.
도 5에 도시된 실시형태는, 제2 어레이의 렌즈(23)의 화상 초점면이 제3 어레이의 렌즈(47)의 대상체 초점면과 동일한 이상적인 구조를 나타낸다. 광축에 평행하게 도달하는, 도시된 광선들은 렌즈(47)의 대상체 초점 또는 렌즈(23)의 화상 초점에 초점을 맞춘다. 렌즈(47)로부터 나온 광선은 따라서 광축에 평행하게 진행한다. 총 확산각은, 이 경우에는, 제로이다.
제3 렌즈 어레이(47)는, 도 5에서, 제7층(40) 아래에 접촉하게 배치된다. 개구(41)의 충전으로부터 발생된 제7층(40)은 벽(39)의 뒷 표면을 덮는다.
변형으로서, 제3 어레이의 렌즈(47)는 벽(39)의 뒷 표면의 상부면에 접촉하게 위치된다. 개구(41)는 이 때 공기 또는 충전 물질로 채워진다.
렌즈(47)와 렌즈(23)는 동일한 조성 또는 다른 조성을 갖는다.
도 5의 실시형태에 따르면, 렌즈(47)의 뒷 표면은 제8 충전층(49)으로 덮여진다. 층(49) 및 층(45)은 동일한 조성 또는 다른 조성을 갖는다. 층(49)은 바람직하게는 렌즈(47)의 물질의 굴절률보다 작은 굴절률을 갖는다.
제3 렌즈 어레이(47)가 없는 경우, 확산각이 너무 커지면, 렌즈(23)로부터 나온 광선들이 복수의 광검출기 또는 픽셀을 비출 위험이 있다. 이것은 결과의 화상의 품질에서 해상도의 손실을 발생한다.
분명한 이점은, 렌즈의 제3 어레이(47)의 존재는 각도 필터(2)의 출사시에서의 확산각의 감소를 발생시킨다는 것이다. 확산각의 감소는 화상기(3)의 레벨에서 나오는 광선의 교차의 위험을 감소할 수 있게 한다.
도 6은 도 2에 도시된 화상 획득 장치의 예의 또 다른 실시형태를 단순화된 부분 단면도로 보여준다.
더 상세하게는, 도 6은, 도 5에 도시된 화상 획득 장치(103)와 유사한 화상 획득 장치(104)를 보여주지만, 렌즈(47)(도 5)보다 작은 렌즈(47')을 구비한다는 차이점을 갖는다.
장치(104)에서 렌즈(47')의 수는 바람직하게는 개구(41)의 수보다 크다. 예로서, 렌즈(47')의 수는 개구(41)의 수(평면 XY에서)보다 4배 더 크다.
도 6에 도시된 실시형태의 장점은 개구(41)의 매트릭스에 제3 렌즈 어레이(47')를 정렬할 필요가 없다는 점이다.
도 7은 도 2에 도시된 획득 장치의 예의 또 다른 실시형태를 단순화된 부분 단면도로 보여준다.
더 상세하게는, 도 7은, 도 5에 도시된 화상 획득 장치(103)와 유사한 화상 획득 장치(105)를 보여주지만, 제3 렌즈 어레이(47")가 제2 렌즈 어레이(23)와 개구(41)의 층(211) 사이에 위치된다는 차이점을 갖는다.
도시된 예에서, 장치(105)는 렌즈(47")의 뒷 표면을 덮고 있는 충전층(51)을 구비한다. 층(51)은, 도 5에 도시된 장치(103)의 층(49)과 유사하지만, 층(211)의 상측 표면에 존재한다는 차이점을 갖는다.
도 8은 도 2에 도시된 획득 장치의 예의 또 다른 실시형태를 단순화된 부분 단면도로 보여준다.
더 상세하게는, 도 8은, 도 3에 도시된 화상 획득 장치(101)와 유사한 화상 획득 장치(106)를 보여주지만, 어레이 구조물(21)이 방사선(27)(도 2)에 불투명한 벽(55)의 범위를 한정하는 개구(53)의 제2 매트릭스로 형성된 제9층(213)을 구비한다는 차이점을 갖는다.
도 8에 도시된 일 실시형태에 따르면, 층(213)은, 충전 물질로 개구를 충전한 것으로부터 발생한 제7층(40) 아래에 접촉하게 위치된다. 제7층(40)은 벽(39)의 뒷 표면을 덮는다.
변형으로서, 층(213)은 벽(39)의 뒷 표면의 상부면에 접촉하게 위치된다. 개구(41)는 이 때 충전 물질 또는 공기로 충전된다.
개구(53)는 예를 들어, 개구(41)와 실질적으로 동일한 형상을 갖지만, 개구(41 및 53)의 치수는 다를 수 있다는 차이점을 갖는다. 예를 들어 벽(55)은, 벽(39)과 실질적으로 동일한 형상과 동일한 조성을 갖지만, 벽(39 및 55)의 치수는 다를 수 있다는 차이점을 갖는다.
도 8에 도시된 실시형태에 따르면, 층(213)은 층(211)의 매트릭스에 존재하는 개구(41)의 수와 실질적으로 동일한 개구(53)의 수를 구비한다. 바람직하게는, 개구(41)의 수는 개구(53)의 수와 동일하다. 각 개구(41)는 바람직하게는 개구(53)와 정렬되어 있으며, 예를 들어 각 개구(41)의 중앙은 개구(53)의 중앙에 정렬되어 있다.
일 실시형태에 따르면, 개구(53)와 개구(41)는 동일한 치수를 갖는데, 즉 개구(53)는 개구(41)의 직경(w1)과 실질적으로 동일한 직경 "w2"(개구의 베이스, 즉 층(40)과의 경계면에서 측정됨)를 갖는다. 바람직하게는, 직경 w1 및 w2는 동일하다. 벽(55)은 예를 들어 벽(39)의 높이(h)와 실질적으로 동일하다. 바람직하게는 높이 h와 h2는 동일하다.
변형으로서, 직경 w1 및 w2는 상이하다. 이 경우에, 직경 w2는, 바람직하게는, 직경 w1보다 작다.
다른 변형에 따르면, 높이 h와 h2는 상이하다.
일 실시형태에 따르면, 개구(53)는 공기, 또는 바람직하게는 개구(41)의 충전 물질과 동일한 조성을 갖는 충전 물질로 채워진다. 더 바람직하게는 충전 물질은 개구(53)를 채우고 벽(55)의 뒷 표면에 층(57)을 형성한다.
다양한 실시형태와 변형이 개시되어 있다. 당업자는 이들 다양한 실시형태와 변형들의 일부 특징들이 결합될 수 있고, 다른 변형들이 당업자에 의하여 발생될 것임을 이해할 것이다. 특히, 도 4 내지 도 8에 도시된 실시형태들은 결합될 수 있다. 또한 설명된 실시형태들 및 구현 방식들은 예를 들어 전술된 치수 및 물질의 예로 한정되지 않는다.
마지막으로, 개시된 실시형태들 및 변형들의 실질적 구현은 이상에서 제공된 기능적 지시에 기초한 당업자의 능력 내에 있다.

Claims (14)

  1. 적층을 구비하는 장치(1; 101; 102; 103; 104; 105; 106)로서, 상기 적층은, 적어도,
    방사선(27)을 검출하기 위한 MOS 기술의 화상 센서(17)와,
    제1 렌즈 어레이(19)와,
    상기 방사선에 불투명한 벽들(39)에 의하여 범위가 정해진 개구들(41)의 제1 매트릭스로 적어도 형성된 구조물(21)과,
    제2 렌즈 어레이(23; 23')를, 이 순서로 구비하며,
    상기 제2 어레이의 렌즈들(23; 23')의 수는 상기 제1 어레이의 렌즈들(19)의 수보다 큰 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 어레이의 렌즈들(23; 23')의 수는 상기 제1 어레이의 렌즈들(19)의 수보다 2배 내지 10배 더 크며, 바람직하게는 두 배 더 큰 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 구조물(21)과 상기 제1 렌즈 어레이(19) 사이에 접착층(37)을 구비하는 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구조물(21)과 상기 제1 렌즈 어레이(19) 사이에 굴절률 매칭층(35)을 구비하는 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 매트릭스의 각 개구(41)는 상기 제2 어레이의 단일 렌즈(23)와 관련되어 있으며,
    상기 제2 어레이의 각 렌즈의 광축은 상기 제1 매트릭스의 개구(41)의 중앙에 정렬되는 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구조물(21)은, 상기 개구들(41)의 제1 매트릭스 아래에, 상기 방사선(27)에 불투명한 벽들(55)에 의하여 범위가 정해진, 개구들(53)의 제2 매트릭스를 구비하며, 상기 제1 매트릭스의 개구들의 수와 상기 제2 매트릭스의 개구들의 수는 동일하며, 상기 제1 매트릭스의 각 개구의 중앙은 상기 제2 매트릭스의 개구의 중앙에 정렬되어 있는 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 어레이의 렌즈들(23)과 상기 제1 어레이의 렌즈들(19)은 평-볼록이며, 상기 제1 어레이 및 상기 제2 어레이의 렌즈들의 평평한 표면들은 센서측(17)에 있는 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 개구들(41, 53)은 상기 방사선(27)에 적어도 부분적으로 투명한 물질로 채워지는 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 어레이의 렌즈들(19)은 상기 제2 어레이의 렌즈들(23; 23')의 직경보다 큰 직경을 갖는 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구조물은 평-볼록 렌즈들(47; 47'; 47")의 제3 어레이를 구비하며, 렌즈들의 제2 어레이의 렌즈들(23; 23')과 렌즈들의 제3 어레이의 평평한 표면들은 서로 마주하고 있으며, 상기 제3 렌즈 어레이는 상기 개구들(41)의 제1 매트릭스와 상기 제1 렌즈 어레이(19) 사이에 또는 상기 개구들의 제1 매트릭스와 상기 제2 렌즈 어레이 사이에 위치되는 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제2 어레이의 각 렌즈(23)의 광축은 상기 제3 어레이의 렌즈(47; 47")의 광축에 정렬되는 장치.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 제2 어레이의 렌즈들(23; 23')의 화상 초점면들은 상기 제3 어레이의 렌즈들(47; 47'; 47")의 대상체 초점면들과 일치하는 장치.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제3 어레이의 렌즈들(47, 47', 47")의 수는 상기 제2 어레이의 렌즈들(23; 23')의 수보다 큰 장치.
  14. 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 어레이의 렌즈들(23; 23')은 상기 제3 어레이의 렌즈들(47; 47'; 47")의 직경보다 큰 직경을 갖는 장치.
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